專利名稱：一種用于工業(yè)生產(chǎn)中制備超硬薄膜的離子源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種工業(yè)生產(chǎn)中的納米尺度金剛石離子鍍膜系統(tǒng)中的離子源裝置，尤其涉及一種制備超硬非晶碳薄膜的離子源裝置。
在現(xiàn)有的各種工業(yè)鍍膜方法中，電弧鍍以其離化率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而見長(zhǎng)。但由于電弧在放電過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生大的顆粒，大顆粒的數(shù)量可達(dá)10000/平方厘米，大大影響成膜的質(zhì)量和膜的附著力，降低膜的抗腐蝕性、致密度和均勻性等特性，這使得目前利用該放電方式形成的多弧離子鍍技術(shù)不能制作很高質(zhì)量的膜，從而使該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展受到了很大限制，以致幾乎無(wú)法在微電子等微細(xì)加工領(lǐng)域應(yīng)用。電弧鍍是采用電弧放電方式在陰極靶面上形成弧斑，進(jìn)而生成碳等離子體，再通過(guò)樣品加偏壓的方法，使離子沉積在樣片表面，形成薄膜。其電弧放電方式采用脈沖放電和直流放電均可。這種利用電弧放電形成的等離子體，使工件表面沉積薄膜的方式即稱為電弧鍍或多弧鍍技術(shù)。現(xiàn)有該類技術(shù)的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)于1、等離子體彌漫在整個(gè)工作室空間，電離效率和等離子體利用率較低；2、由于電弧放電過(guò)程中產(chǎn)生大量的大顆粒，而工件被等離子體包圍，則放電產(chǎn)生的大顆粒粒子可能沉積在工件的表面，從而影響所形成膜層的質(zhì)量；3、陰極靶表面蒸發(fā)的原子或分子，以及其他吸附在表面的雜質(zhì)都可能沉積在工件的表面，也會(huì)影響所形成膜層的質(zhì)量和膜層的附著力，降低膜的抗腐蝕性；4、采用現(xiàn)有技術(shù)形成的膜，膜層厚度控制精度不高，其表面膜層的致密度、均勻性也無(wú)法控制，因此無(wú)法達(dá)到高密度、高均勻性的要求。
本實(shí)用新型的目的在于避免上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，而提供一種電離效率高，離子可控制，所形成膜的均勻性和致密性高、附著力強(qiáng)的制備超硬薄膜的離子源裝置。
本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)方案如下一種用于工業(yè)生產(chǎn)中制備超硬薄膜的離子源裝置，包括離子發(fā)生器和離子引出裝置，所述離子發(fā)生器包括離子原及產(chǎn)生電離作用的陰極14和陽(yáng)極4，所述陰極14和陽(yáng)極4外部分別設(shè)置有水冷裝置16和3，其特殊之處在于所述陰極14表面為陰極靶面12，所述陽(yáng)極為筒狀放電室9，所述離子引出裝置包括設(shè)置于放電室9頂部的引出柵極2。
上述的離子源為固體離子源裝置，其可包括產(chǎn)生離子的陰極14，所述可固體離子源裝置還可包括引弧裝置和弧斑束縛磁場(chǎng)13，所述引弧裝置包括可與陰極靶面12接觸引弧的引弧桿10，所述引弧桿10與步進(jìn)電機(jī)11相連，所述弧斑束縛磁場(chǎng)13設(shè)置于陰極14外部。
上述弧斑束縛磁場(chǎng)13可由聚弧線圈構(gòu)成。
上述離子引出裝置的引出柵極2外端可設(shè)置電磁濾質(zhì)器1。
上述離子引出裝置出口處可設(shè)置電場(chǎng)掃描裝置和預(yù)偏裝置15。
上述陰極靶面12處可設(shè)置靶面自動(dòng)修磨器，所述靶面修磨器包括設(shè)置于銑刀夾頭8上的銑刀5及帶動(dòng)銑刀的步進(jìn)電機(jī)7和汽缸6。
上述靶面自動(dòng)修磨器可包括帶動(dòng)陰極靶面12升降、與升降電機(jī)20相連的陰極靶升降夾持裝置19及可帶動(dòng)陰極靶面12旋轉(zhuǎn)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)18相連的旋轉(zhuǎn)軸17。
上述陰極14、陽(yáng)極4可為石墨或金屬材料，所述引出柵極2可為鉬材料。
附圖
為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
下面將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳述本實(shí)用新型的工作原理利用引弧桿(10)與陰極靶面(12)的瞬間接觸，促使陰極靶面(12)產(chǎn)生電弧放電，當(dāng)引弧桿(10)離開陰極靶面(12)后，陰極靶面(12)與陽(yáng)極(4)形成電弧放電方式，陰極靶面(12)將產(chǎn)生電弧斑點(diǎn)。利用電弧放電產(chǎn)生電弧斑點(diǎn)，可從作為陰極(14)的固體靶面(12)直接將碳蒸發(fā)，產(chǎn)生碳蒸發(fā)，產(chǎn)生碳等離子體，放電電流可達(dá)20-100安培，形成高密度的等離子體，離化率可達(dá)60-90％，放電氣壓在1×10-5Torr，離子引出能量可以通過(guò)引出電壓調(diào)節(jié)。
參見附圖，本實(shí)用新型主要由陰極(14)、陽(yáng)極(4)、引弧桿(10)、靶面自動(dòng)修磨器、靶面升降機(jī)構(gòu)、水冷裝置(3)和(16)、弧斑束縛磁場(chǎng)(13)等構(gòu)成。陰極(14)由若干個(gè)純度為99.99％的石墨圓盤組成，陽(yáng)極(4)由一個(gè)純度為99.99％的石墨套組成，引弧桿(10)由一個(gè)鉬棒制成，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)(11)控制，靶面自動(dòng)修磨器由銑刀(5)、步進(jìn)電機(jī)(7)構(gòu)成，靶面升降機(jī)構(gòu)由升降電機(jī)(20)控制，陰極(14)和陽(yáng)極(4)分別加有水冷裝置(16)和(3)，為使放電弧斑圍繞陰極靶面(12)旋轉(zhuǎn)，不跑出靶面，在陰極(14)外面加有一個(gè)弧斑束縛磁場(chǎng)(13)，束縛弧斑做圓周運(yùn)動(dòng)。在高度為1.5∶1的陽(yáng)極(4)構(gòu)成的放電室(9)內(nèi)，電子向陽(yáng)極(4)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)進(jìn)一步被電離，被電離的碳離子轟擊陰極靶面(12)進(jìn)一步加強(qiáng)了電弧放電，形成30eV能量的等離子體。碳離子源的引出柵極(2)做成均勻分布的柵網(wǎng)狀，可以均勻的引出離子束流，并加速沉積在基片上，形成超硬的類金剛石薄膜。離子源的陰極采用固體材料，除石墨之外，還可以采用鈦、鐵等其他材料作陰極，為制備復(fù)合膜，可增設(shè)坩鍋，同時(shí)引入其他金屬蒸氣。為了達(dá)到去掉放電產(chǎn)生的大的石墨顆粒，可設(shè)置電磁濾質(zhì)器(1)，達(dá)到有效地過(guò)濾掉不需要的大顆粒和中性的原子，使到達(dá)樣品靶上的是理想的碳離子，從而可使渡層有很高的質(zhì)量，采用這種方法可以沉積2納米到幾微米結(jié)構(gòu)的類金剛石和金剛石薄膜，使得薄膜表面清潔、無(wú)大顆粒存在。在離子源出口處可設(shè)置電磁掃描裝置，從而保證了可以沉積大面積樣品和好的膜層均勻性，其均勻性可達(dá)到±1％，可以滿足納米尺度的鍍膜要求。為了提高膜層的附著力，增加離子能量，除引出電壓外，還可通過(guò)預(yù)偏裝置在樣品上加偏壓，偏壓可采用DC和RF兩種方式，可以針對(duì)不同的樣品選用。DC輸出電壓從0-1000伏可調(diào)，電流為10安培；RF電源頻率100-1KHz可調(diào)，輸出電壓100-5000伏可調(diào)，脈沖占寬比10s，峰值電流10A。采用冷陰極離子源，對(duì)樣品無(wú)污染，壽命長(zhǎng)。利用本實(shí)用新型沉積的膜層厚度從2nm到μm可控；沉積的溫度低于80℃；沉積膜的密度可達(dá)3-4g/cm2；膜的硬度75Gpa；楊氏模量700Gpa；壓應(yīng)力3-8Gpa；包含的sp3成分達(dá)85％；磨擦系數(shù)0.08；反射系數(shù)2.7；電阻率108-1010Ω.cm；光學(xué)帶隙2.6eV；表現(xiàn)平整度0.2nm；耐磨性0.7-1×108mm3/Nm；沉積速度1nm/s，在60×60面積上。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1、陰極靶面產(chǎn)生的等離子體被約束在陽(yáng)極形成的放電室內(nèi)進(jìn)行電離，提高了電離效率和等離子體密度，離化率可達(dá)60～90％；2、通過(guò)離子源引出極引出的是通過(guò)等離子體鞘層的純碳離子，離子帶有正電荷，因此可以通過(guò)電磁場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行加速、掃描等控制處理；3、離子源引出的離子束流可以被聚焦成束，以離子束流的方式被引出；4、電弧放電產(chǎn)生的部分大顆粒被引出柵極擋掉，在放電室內(nèi)被處理，少部分通過(guò)柵極的大顆粒則可以通過(guò)濾質(zhì)器濾掉；5、由于從放電室等離子體中引出的是離子，因此鍍膜過(guò)程是離子沉積，由于濾質(zhì)器濾掉了中性原子，因此本設(shè)備是純離子鍍膜，有很高的膜的附著力和膜的致密度；6、由于是離子沉積，因此可以隨意控制所形成膜的均勻性及厚度，使其達(dá)到高均勻性、高密度，易于制備復(fù)合膜。
權(quán)利要求1.一種用于工業(yè)生產(chǎn)中制備超硬薄膜的離子源裝置，包括離子發(fā)生器和離子引出裝置，所述離子發(fā)生器包括離子原及產(chǎn)生電離作用的陰極(14)和陽(yáng)極(4)，所述陰極(14)和陽(yáng)極(4)外部分別設(shè)置有水冷裝置(16)和(3)，其特征在于所述陰極(14)表面為陰極靶面(12)，所述陽(yáng)極為筒狀放電室(9)，所述離子引出裝置包括設(shè)置于放電室(9)頂部的引出柵極(2)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種用于工業(yè)生產(chǎn)中制備超硬薄膜的離子源裝置，其特征在于所述的離子源為固體離子源裝置，其包括產(chǎn)生離子的陰極(14)，所述固體離子源裝置還包括引弧裝置和弧斑束縛磁場(chǎng)(13)，所述引弧裝置包括可與陰極靶面(12)接觸引弧的引弧桿(10)，所述引弧桿(10)與步進(jìn)電機(jī)(11)相連，所述弧斑束縛磁場(chǎng)(13)設(shè)置于陰極(14)外部。
3.如權(quán)利要求2所述的一種用于工業(yè)生產(chǎn)中制備超硬薄膜的離子源裝置，其特征在于所述弧斑束縛磁場(chǎng)(13)由聚弧線圈構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1或2所述的一種用于工業(yè)生產(chǎn)中制備超硬薄膜的離子源裝置，其特征在于所述離子引出裝置的引出柵極(2)外端設(shè)置有電磁濾質(zhì)器(1)。
5.如權(quán)利要求4所述的一種用于工業(yè)生產(chǎn)中制備超硬薄膜的離子源裝置，其特征在于所述離子引出裝置出口處設(shè)置有電場(chǎng)掃描裝置和預(yù)偏裝置(15)。
6.如權(quán)利要求5所述的一種用于工業(yè)生產(chǎn)中制備超硬薄膜的離子源裝置，其特征在于所述陰極靶面(12)處設(shè)置有靶面自動(dòng)修磨器，所述靶面修磨器包括設(shè)置于銑刀夾頭(8)上的銑刀(5)及帶動(dòng)銑刀的步進(jìn)電機(jī)(7)和汽缸(6)。
7.如權(quán)利要求6所述的一種用于工業(yè)生產(chǎn)中制備超硬薄膜的離子源裝置，其特征在于所述靶面自動(dòng)修磨器包括可帶動(dòng)陰極靶面(12)升降、與升降電機(jī)(20)相連的陰極靶升降夾持裝置(19)及可帶動(dòng)陰極靶面(12)旋轉(zhuǎn)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)(18)相連的旋轉(zhuǎn)軸(17)。
8.如權(quán)利要求7所述的一種用于工業(yè)生產(chǎn)中制備超硬薄膜的離子源裝置，其特征在于所述陰極(14)、陽(yáng)極(4)為石墨或金屬材料，所述引出柵極(2)為鉬材料。
專利摘要一種用于工業(yè)生產(chǎn)中制備超硬薄膜的離子源裝置,包括離子發(fā)生器和離子引出裝置,離子發(fā)生器包括離子原及產(chǎn)生電離作用的陰極和陽(yáng)極,陰極和陽(yáng)極外部分別設(shè)置有水冷裝置,陰極表面為陰極靶面,陽(yáng)極為筒狀放電室,離子引出裝置包括設(shè)置于放電室頂部的引出柵極。本實(shí)用新型電離效率高,離子可控制,所形成膜的均勻性和致密性高、附著力強(qiáng)。
文檔編號(hào)C23C14/32GK2496878SQ0124704
公開日2002年6月26日 申請(qǐng)日期2001年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月14日
發(fā)明者趙玉清 申請(qǐng)人:陜西百納科技發(fā)展有限責(zé)任公司